【E課堂】一文詳解ARM、Intel、MIPS處理器啥區(qū)別

　　安卓支持三類處理器(CPU)：ARM、Intel和MIPS。ARM無疑被使用得最為廣泛。Intel因?yàn)槠占坝谂_式機(jī)和服務(wù)器而被人們所熟知，然而對移動(dòng)行業(yè)影響力相對較小。MIPS在32位和64位嵌入式領(lǐng)域中歷史悠久，獲得了不少的成功，可目前Android的采用率在三者中最低。

　　總之，ARM現(xiàn)在是贏家而Intel是ARM的最強(qiáng)對手。那么ARM處理器和Intel處理器到底有何區(qū)別?為什么ARM如此受歡迎?你的智能手機(jī)或平板電腦用的是什么處理器到底重要不重要?

　　處理器(CPU)

　　中央處理器(CPU)是你智能設(shè)備的大腦。它的任務(wù)是通過執(zhí)行一系列指令來驅(qū)動(dòng)你的設(shè)備，包括顯示屏、觸摸屏、調(diào)制解調(diào)器等，讓一坨塑料金屬混合物變成閃亮的智能手機(jī)或者平板電腦。

　　移動(dòng)設(shè)備非常復(fù)雜，其中的處理器需要執(zhí)行數(shù)百萬行指令才能完成人們希望這些設(shè)備去做的事。速度和功耗對處理器來說至關(guān)重要。速度影響用戶體驗(yàn)，功耗影響電池壽命。完美的移動(dòng)設(shè)備必須有好性能以及低功耗。

　　這就是為什么選擇什么樣的處理器很重要。一個(gè)超級耗電、反應(yīng)遲鈍的處理器會(huì)很快吸干你的電池，而一個(gè)考究的、高效的處理器給你帶來高性能和長久的電池壽命。

　　總體而言，ARM和Intel處理器的第一個(gè)區(qū)別是，前者使用精簡指令集(RISC)，而后者使用復(fù)雜指令集(CISC)。

　　通俗而言，精簡指令集規(guī)模較小，更接近原子操作，而復(fù)雜指令集規(guī)模較大，更加復(fù)雜。所謂原子操作，是指每條指令的工作大都可以由處理器在一個(gè)操作內(nèi)完成，例如對兩個(gè)寄存器做加法。

　　復(fù)雜指令集的指令描述某個(gè)意圖，但是處理器必須執(zhí)行3或4個(gè)更簡單的指令來實(shí)現(xiàn)這個(gè)意圖。例如，可以命令一個(gè)復(fù)雜指令集處理器對2個(gè)數(shù)求和，并把結(jié)果存入主內(nèi)存中。為了完成這個(gè)命令，處理器首先從地址1中取得第一個(gè)數(shù)(操作1)，然后從地址2中取得另一個(gè)數(shù)(操作2)，然后求和(操作3)，等等。

　　所有的現(xiàn)代處理器都使用一種所謂微指令的概念，這是一個(gè)處理器內(nèi)部的指令集合，用來描述處理器可以做的原子操作。

　　復(fù)雜指令集處理器實(shí)際上執(zhí)行了3條微指令。對精簡指令集處理器而言，其指令跟其微指令十分接近，而復(fù)雜指令集處理器的指令需要先被轉(zhuǎn)換成一些更精簡的微指令(就像前面的復(fù)雜指令集處理器做加法的例子中那樣)。

　　也就是說，精簡指令集處理器中的解碼器(負(fù)責(zé)告訴處理器到底要干些什么的東東)要簡單得多，而簡潔意味著高效和低功耗。

　　制造工藝

　　ARM和Intel處理器的另外一個(gè)主要區(qū)別是ARM從來只是設(shè)計(jì)低功耗處理器。其宗旨是設(shè)計(jì)低功耗處理器，這是他們的強(qiáng)項(xiàng)。Intel的強(qiáng)項(xiàng)是設(shè)計(jì)超高性能的臺式機(jī)和服務(wù)器處理器，并且的確做的不錯(cuò)。

　　Intel是臺式機(jī)的服務(wù)器行業(yè)的老大。過去的20年里我所有的PC，筆記本和服務(wù)器(除了一個(gè)外)用的都是Intel的處理器。然而進(jìn)入移動(dòng)行業(yè)時(shí)，Intel依然使用和臺式機(jī)同樣的復(fù)雜指令集架構(gòu)，試圖將其硬塞入給移動(dòng)設(shè)備使用的體積較小的處理器中。

　　Intel i7處理器平均發(fā)熱率為45瓦。基于ARM的片上系統(tǒng)(其中包括圖形處理器)的發(fā)熱率最大瞬間峰值大約是3瓦，約為Intel i7處理器的1/15。Intel現(xiàn)如今是個(gè)巨頭，雇傭了大量的聰明人。

　　其最新的Atom系列處理器采用了跟ARM處理器類似的溫度控制設(shè)計(jì)，為此Intel必須使用最新的22納米制造工藝。一般而言，制造工藝的納米數(shù)越小，能量的使用效率越高。ARM處理器使用更低的制造工藝，擁有類似的溫控效果。比如，高通曉龍805處理器使用28納米制造工藝。

　　64位

　　對于64位計(jì)算，ARM和Intel也有一些顯著區(qū)別。你知不知道，Intel并沒有開發(fā)64位版本的x86指令集。這個(gè)64位的指令集，名為x86-64(有時(shí)簡稱為x64)，實(shí)際上是AMD設(shè)計(jì)開發(fā)的。

　　故事是這樣的：Intel想搞64位計(jì)算，它知道如果從自己的32位x86架構(gòu)進(jìn)化出的64位架構(gòu)的話，新架構(gòu)效率會(huì)很低，于是它搞了一個(gè)新64位處理器項(xiàng)目名為IA64。由此制造出了Itanium系列處理器。

　　同時(shí)AMD知道自己造不出能與IA64兼容的處理器，于是它把x86擴(kuò)展一下，加入了64位尋址和64位寄存器。最終出來的架構(gòu)，人稱AMD64，成為了64位版本的x86處理器的標(biāo)準(zhǔn)。

　　IA64項(xiàng)目并不算得上成功，現(xiàn)如今基本被放棄了。Intel最終采用了AMD64。Intel當(dāng)前給出的移動(dòng)方案，是采用了AMD開發(fā)的64位指令集(有些許差別)的64位處理器。

　　ARM的故事很不一樣：看到移動(dòng)設(shè)備對64位計(jì)算的需求后，ARM于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構(gòu)，這是為了下一代ARM指令集架構(gòu)工作若干年后的結(jié)晶。為了基于原有的原則和指令集，開發(fā)一個(gè)簡明的64位架構(gòu)，ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32和AArch64。

　　顧名思義，一個(gè)運(yùn)行32位代碼，一個(gè)運(yùn)行64位代碼。ARM設(shè)計(jì)的巧妙之處，是處理器在運(yùn)行中可以無縫地在兩種模式間切換。這意味著64位指令的解碼器是全新設(shè)計(jì)的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向后兼容。

　　異構(gòu)計(jì)算

　　ARM的big.LITTLE架構(gòu)是一項(xiàng)Intel一時(shí)無法復(fù)制的創(chuàng)新。在big.LITTLE架構(gòu)里，處理器可以是不同類型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個(gè)核或者4個(gè)核。一個(gè)雙核Atom處理器中有兩個(gè)一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。

　　ARM通過big.LITTLE向移動(dòng)設(shè)備推出了異構(gòu)計(jì)算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，使用低功耗核，而當(dāng)你運(yùn)行一款復(fù)雜的游戲是，使用的是高性能的核。

　　這是什么做到的呢?設(shè)計(jì)處理器的時(shí)候，要考慮大量的技術(shù)設(shè)計(jì)的采用與否，這些技術(shù)設(shè)計(jì)決定了處理器的性能以及功耗。

　　在一條指令被解碼并準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，Intel和ARM的處理器都使用流水線。就是說解碼的過程是并行的。

　　第一步從內(nèi)存中讀取指令，第二步檢查和解碼指令，第三步執(zhí)行指令，周而復(fù)始。流水線的好處在于，當(dāng)前指令在第二步的時(shí)候，下一條指令已經(jīng)處于第一步。當(dāng)前指令在第三步中執(zhí)行的時(shí)候，下一條指令正處于第二步，而下下條指令處于第一步中，如此循環(huán)。

　　為了更快地執(zhí)行指令，這些流水線可以被設(shè)計(jì)成允許指令們不按照程序的順序被執(zhí)行(亂序執(zhí)行)。一些巧妙的邏輯結(jié)構(gòu)可以判斷下一條指令是否依賴于當(dāng)前的指令執(zhí)行的結(jié)果。Intel和ARM都提供亂序執(zhí)行邏輯結(jié)構(gòu)，可想而知，這種結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜。復(fù)雜意味著更多的功耗。

　　Intel處理器由設(shè)計(jì)者們選擇是否加入亂序邏輯結(jié)構(gòu)。異構(gòu)計(jì)算則沒有這方便的問題。ARM Cortex-A53采用順序執(zhí)行，因此功耗低一些。而ARM Cortex-A57使用亂序執(zhí)行，所以更快但更耗電。采用big.LITTLE架構(gòu)的處理器可以同時(shí)擁有Cortex-A53和Cortex-A57核，根據(jù)具體的需要決定如何使用這些核。在后臺同步郵件的時(shí)候，不需要高速的亂序執(zhí)行，僅在玩復(fù)雜游戲的時(shí)候需要。在合適的時(shí)間使用合適的核。

　　原則上，處理器中復(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)越多性能越高，越少則效率越高，指令流水線只是其中之一，包括浮點(diǎn)運(yùn)算單元，單指令多數(shù)據(jù)邏輯(SIMD)(比如ARM的NEON和Intel的SSE/MMX)，以及一級緩存二級緩存。

　　每種Atom片上系統(tǒng)，Intel僅提供一種方案，而ARM以及芯片合作伙伴提供的芯片則有多種方案可以配置。

　　兼容性

　　ARM目前是移動(dòng)處理器的老大。ARM的合作伙伴們基于ARM的設(shè)計(jì)向移動(dòng)和嵌入式市場的出貨量已經(jīng)達(dá)500億片。對于安卓，ARM已然成為標(biāo)準(zhǔn)，這對Intel和MIPS而言是個(gè)問題。

　　盡管安卓的主要編程語言是Java，開發(fā)者也可以使用現(xiàn)有的代碼(比如C或者C++)去開發(fā)應(yīng)用。這些固定平臺的應(yīng)用通常都編譯成ARM處理器的程序，不全都會(huì)編譯成Intel或者M(jìn)IPS處理器的程序。

　　為了解決這個(gè)問題，Intel和MIPS要使用特殊的轉(zhuǎn)換軟件把ARM的指令轉(zhuǎn)換成他們處理器使用的指令。這當(dāng)然是會(huì)降低性能的。

　　目前MIPS和Intel聲稱兼容Play Store里大約90%的應(yīng)用。對于最受歡迎的150個(gè)應(yīng)用，兼容率是100%。一方面兼容率很高，另一方面表明ARM的主導(dǎo)地位，使得其他的處理器設(shè)計(jì)者需要提供一個(gè)兼容層。

　　總結(jié)

　　制造處理器是一項(xiàng)復(fù)雜的業(yè)務(wù)。ARM，Intel和MIPS都在不懈努力地向移動(dòng)設(shè)備提供最好的技術(shù)，而很明顯ARM是老大。擁有著低功耗，簡明的64位設(shè)計(jì)，異構(gòu)計(jì)算，以及作為移動(dòng)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，看來ARM必能保持其老大的地位。